MRI made easy (…well almost)

Hans H. Schild

Part 5

2022-03-27


복습할 준비가 되었는가?

이제 우리는 T1, T2, 양성자 밀도, 펄스 시퀀스 같은 많은 파라미터들이 MR 영상에서 보이는 조직의 모습에 영향을 끼친다는 것을 알게 되었다.

펄스 시퀀스와 TR이나 TE같은 촬영 파라미터를 선택함으로써 T1-, T2-, 혹은 양성자 밀도(스핀 밀도)-가중 영상을 얻을 수 있다는 것을 배웠다. 지금까지 개발된 여러 펄스 시퀀스의 기본 개념에 친숙해질 필요가 있다. 펄스 시퀀스에 대해 알아보자.


부분 포화/포화 회복 시퀀스

포화 회복(saturation recovery) 펄스 시퀀스와 부분 포화(partial recovery) 시퀀스는 90° 펄스만 사용한다(그림 51). 이미 이런 시퀀스에 관해 논의했지만 이름을 언급하지는 않았다. 이 시퀀스들은 두 개의 90° 펄스로 구성되었다는 점에서 기본적으로 같다. 펄스 사이의 시간 간격 즉, TR만 다르다(47쪽을 보라).

그림 51. 부분 포화/포화 회복 시퀀스의 도식

그림 51. 부분 포화/포화 회복 시퀀스의 도식

그림 52에는 두 조직의 T1-곡선이 언덕을 오르듯 상향하고 있다. 첫 번째 펄스 이후 시간이 오래 경과하면(TRlong), 두 번째 펄스가 주입되기 전에 두 조직 모두 종단 자화를 회복할 것이다. TRlong을 쓰면, (양성자들이 이완되어 포화되는) 포화 회복 시퀀스가 되고, 신호는 양성자 밀도의 영향을 받는다. (짧은 반바지와 긴 티타임을 기억나는가?) TR~short-을 쓰면, (양성자들이 이완되지 않아서) 부분 포화 시퀀스가 되고, T1이 신호 강도를 결정하므로 T1-가중 영상이 생긴다(그림 52).

그림 52. T1이 서로 다른 조직들은 TR에 따라 다른 강도의 신호를 내보낸다. TR이 길면, 포화 회복 시퀀스라 하고 영상 대비는 주로 양성자(스핀) 밀도에 의해 결정된다. TR이 짧으면, 부분 포화 시퀀스라 하고 T1-가중 영상을 얻게 된다.

그림 52. T~1~이 서로 다른 조직들은 TR에 따라 다른 강도의 신호를 내보낸다. TR이 길면, 포화 회복 시퀀스라 하고 영상 대비는 주로 양성자(스핀) 밀도에 의해 결정된다. TR이 짧으면, 부분 포화 시퀀스라 하고 T~1~-가중 영상을 얻게 된다.


반전 회복 시퀀스

스핀 에코 시퀀스와 달리, 반전 회복 시퀀스(inversion recovery sequence)는 180° 펄스 다음에 90° 펄스를 주입한다(그림 53). 무슨 일이 일어날까? 180° 펄스는 종단 자화를 반대 방향으로 돌려놓는다(모든 양성자들이 뒤집어지면서 위를 가리키던 합산 자기 모멘트가 아래를 가리키게 된다).

그림 53. 반전 회복 시퀀스의 도식

그림 53. 반전 회복 시퀀스의 도식

그림 54는 T1이 다른 두 조직을 예로 들고 있다(아래쪽이 종단 완화가 빠른 즉, T1이 짧은 조직이다). 종단 자화는 물속으로 던진 공처럼 그냥 내버려두면 천천히 떠오를 것이다. 그러나, 우리는 신호를 측정하기 위해 약간의 횡단 자화가 필요하므로 90° 펄스를 사용한다.

그림 54. 반전 회복 시퀀스는 180° 펄스로 종단 자화를 뒤집고 TI가 지나면 90° 펄스를 가한다. 90° 펄스는 자화를 측정할 수 있도록 횡단면으로 “기울인다.” 아래 행의 조직은 T1이 짧아서 원래의 종단 자화를 빨리 회복한다. 따라서, 그림에 보이는 TI 시점에서 90° 펄스가 주입되면 아래 조직의 횡단 자화가 상대적으로 작을 것이다.

그림 54. 반전 회복 시퀀스는 180° 펄스로 종단 자화를 뒤집고 TI가 지나면 90° 펄스를 가한다. 90° 펄스는 자화를 측정할 수 있도록 횡단면으로 “기울인다.” 아래 행의 조직은 T~1~이 짧아서 원래의 종단 자화를 빨리 회복한다. 따라서, 그림에 보이는 TI 시점에서 90° 펄스가 주입되면 아래 조직의 횡단 자화가 상대적으로 작을 것이다.

우리가 얻는 신호는 180° 펄스와 90° 펄스의 시간 간격 즉, 180° 펄스로 반전된 이후 경과된 시간에 달려있다. 이 시간을 TI = inversion time(반전 시간)이라 한다.

다른 펄스 시퀀스에서와 같이 TR은 시퀀스 사이의 시간 간격을 의미한다. 반전 회복 영상의 신호 강도는 T1에 달려있다. 종단 자화가 얼마나 빨리 원래 값으로 복귀하는지가 T1에 달려있기 때문이다. 따라서 우리는 T1-가중 영상을 얻게 된다. 이 영상은 부분 포화 회복 영상보다 T1의 영향을 더 많이 받는다.


스핀 에코 시퀀스

스핀 에코 시퀀스(spin echo sequence)에 관해 이미 자세히 이야기했다. 이 시퀀스는 90°와 180° 펄스 두 개로 구성된다(그림 55). 어떤 일이 생기는지 여러분은 지금 기억해낼 수 있는가?

그림 55. 스핀 에코 펄스 시퀀스의 도식. 이 시퀀스는 너무 중요해서 반복적으로 제시되고 있다.

그림 55. 스핀 에코 펄스 시퀀스의 도식. 이 시퀀스는 너무 중요해서 반복적으로 제시되고 있다.

90° 펄스는 횡단 자화를 만들지만, 이것이 영상으로 사용되지는 않는다. 우리는 90° 펄스를 가하고 약간 시간이 지나면(TE/2) 180° 펄스를 주입하여 탈동조하는 양성자들을 재동조시킨다. 시간 TE가 지나면 에코가 발생할 것이다.

이미 배웠듯이, 우리는 에코를 한 번이 아니라 여러번 발생시킬 수 있다. 그러나 신호가 점차 약해지는 것이 약점이다.

스핀 에코 시퀀스에서 MR 신호에 영향을 끼치는 촬영 파라미터는 이것들이다.

TE와 TR은 결과 영상이 무엇에 가중될지를 결정한다. TE는 T2-가중을, TR은 T1-가중을 책임진다. 이 내용이 기억나지 않거나 이해 안되면 50~60쪽을 다시 읽어야 한다.


고속 이미징 시퀀스란?

보통의 시퀀스로는 촬영 시간이 꽤 오래 걸려서(그 이유는 아래 나온다) 제한된 수의 환자들만 검사할 수 있다. 또한 환자가 오랜 시간 움직이지 않고 누워있기 어렵고, 움직이면 영상의 질이 떨어진다. 게다가 호흡이나 심박동처럼 피할 수 없는 움직임도 있다.

이런 문제들을 해결하기 위해 시간이 덜 걸리는 펄스 시퀀스들이 개발되었다. 이름은 FLASH(Fast Low Angle Shot)나 GRASS(Gradient Recalled Acquisition at Steady State)처럼 대체로 이상하다. 이런 시퀀스들이 점차 중요해지고 있는데, 이해하기는 우리가 지금까지 얘기한 시퀀스들보다 훨씬 더 어렵다. 대략 개요는 이렇다.

이미징 시퀀스에서 가장 시간을 많이 잡아먹는 파라미터가 TR이므로(58쪽과 85쪽을 보라), 촬영을 빨리 하려면 당연히 TR부터 줄여야 한다. 고속 이미징 시퀀스(fast imaging sequence)가 그렇다. 그러나 TR을 줄이면 문제가 몇 개 생긴다.

이런 문제들을 아래와 같이 해결한다.

자장 경사는 금방 켤 수 있고, 검사 단면의 자장 비균질성(magnetic field inhomogeneities)이 훨씬 커지게 만든다(자장 비균질성은 외부 자장의 비균질성과 조직내 자장의 비균질성 때문에 이미 존재한다 - 기억나지 않으면 29쪽의 짧은 요약문을 다시 보라).

이렇게 증폭된 자장 비균질성 덕분에 횡단 자화와 신호가 더 빨리 사라진다(양성자들이 더 빨리 탈동조한다!). 그러고 나면, 자기 경사를 껐다가 잠시 후에 똑같은 강도로, 그러나 반대 방향으로, 다시 켠다. 이제 상대적으로 앞서던 양성자들은 뒤처지게 되고, 뒤처지던 양성자들은 앞서게 될 것이다(180° 펄스 후 생기는 일과 비슷하다). 그 결과, 양성자들이 약간 재동조되면서 신호가 어느 정도 일정한 수준까지 다시 증가하는데, 이를 경사 에코(gradient echo)라 한다. 에코가 끝나면 신호가 다시 줄어든다.

TR이 짧으면 종단 자화가 작아지는 두 번째 문제는 어떻게 해야 할까?

스핀 에코 시퀀스에서처럼 90° 펄스는 종단 자화를 사라지게 한다. 그러나 종단 자화는 90° 펄스 직후 즉시 다시 회복되기 시작한다. 그 속도는 검사 조직의 T1에 달려있다(잊어버렸다면 40쪽을 보라). 고속 이미징 시퀀스의 비법은 90° 펄스가 아니라, (대개 10~35° 범위의) 더 작은 “숙임각(flip angle, FA)”을 일으키는 펄스를 사용하는 것이다. 숙임각이 90°보다 작으면, 종단 자화가 완전히 사라지지 않는다. 대신에 상당한 양의 종단 자화가 항상 남아서, 후속 펄스에 의해 “기울여질” 수 있다. 그 결과, 다음 펄스가 상당히 짧은 TR에 주입되더라도 적당한 양의 신호가 발생한다.

이러한 고속 이미징 시퀀스가 점차 중요해지고 있으므로, 이것에 관해 조금 더 알아보자. 이미 들은 바와 같이(50쪽을 보라), 보통 180° 펄스는 외부 자장의 비균질성을 “무력화한다.” 이때, 횡단 자화는 소위 T2-효과 때문에 감쇄한다(그림 35를 보라).

180° 펄스를 사용하지 않으면, 양성자들은 자장 비균질성을 더 크게 겪고 더 빨리 탈동조된다. 신호 강도도 더 빠르게 감쇄하는데, 이는 그림 35에 나오는 소위 T2*-효과 때문이다.

T2*-효과 말고도, 숙임각 같은 요인들이 고속 이미징 시퀀스의 신호 강도에 영향을 끼친다. 이런 시퀀스를 경사 에코 시퀀스(gradient echo sequence)라 부른다.

경사 에코 이미징에 관한 몇 가지 지침이 있다.

우리는 촬영 시간을 아낄 수 있다. 왜냐하면,

고속 시퀀스 덕분에 1초 미만의 시간 동안 영상을 얻을 수 있다.


복습하고 쉴 시간이다.


촬영 시간에 관해 알아보자

고속 시퀀스 외에 촬영 시간을 줄일 방법이 없을까?

실제 촬영 시간은 어떻게 결정될까?

보통의 펄스 시퀀스를 사용하는 MR 촬영에서는 촬영 시간을 쉽게 결정할 수 있다; 획득 시간(acquisition time; a.t.)은 a.t. = TR x N x Nex

약간 복잡해보이지만 그렇지 않다. 뒤쪽에서부터 보자.

Nex는 흥분(excitations)1 역주: 정보통신 분야에서는 ’여기(勵起)’로 번역합니다. 원자를 둘러싸고 있는 전자가 광자를 흡수함으로써 높은 에너지 준위로 천이하는 현상을 말합니다. 횟수이다. 이것은 뭘 뜻할까? 몇 가지 이유로 인해 신호를 한 번 측정하지 않고 여러번 반복해서 측정할 때가 있다. 환자에서 나오는 MR 신호는 매우 약해서 여러번 측정한 신호를 합쳐 “평균내는” 것이 양질의 영상을 얻는 데 좋을 수 있다. 실제로 그렇게 하면 신호 대 잡음 비(signal-to-noise ratio)가 높은 영상을 얻게 된다. 당연히 측정을 더 할수록 촬영 시간은 길어진다.

예를 들어 설명해보자.

반복 측정으로 신호 대 잡음 비가 높아진다. 반복 측정으로 신호 대 잡음 비가 높아진다.

여러분이 많은 관중과 함께 앉아있고 모두들 시끄럽게 떠든다고 상상해보자. 옆자리의 누군가가 여러분의 귀에 뭔가를 속삭이지만, 배경에 잡음이 너무 많아서 여러분은 그 말을 이해할 수 없다. 아마도 여러분은 그 사람에게 다시 말해달라고 몇 번 더 부탁할 것이다. 같은 말이 반복되는 동안 입력된 정보들은 마음 속에서 합쳐질 것이다. 신호는 항상 같기 때문에, 합산하면 신호는 증가한다. 그러나 배경 잡음은 매번 다르다. 잡음은 무작위로 변하므로 합산이 되어도 신호와 다르다. 따라서 여러분은 결과적으로 더 좋은 신호 대 잡음 비를 얻게 될 것이다(물론 옆 사람이 더 크게 말해도 신호 대 잡음 비는 높아진다).

N은 뭘까? 다른 촬영 방법(혹은 여러분의 TV)과 마찬가지로 영상은 영상 요소로 구성된다. 이 요소들이 모두 모여서 영상 행렬이 된다. 예를 들어, 256 x 256 행렬은 영상 요소(픽셀) 256개로 구성된 256개의 행이다. 우리의 공식에서 N은 행렬에 속한 행의 수를 말한다. 마치 편지의 행과 같다. 행이 많으면 촬영하는 데 더 오래 걸린다. 편지를 쓴다고 생각해보라. 다섯 줄이 있는 종이에 쓰는 것이 25 줄을 쓸 때보다 더 빨리 끝날 것이다. 그러나 행이 많을수록 편지지(즉, 영상)에는 더 많은 내용을, 더 자세하게 기록할 수 있다.


그림 56. 다중절편 촬영(multislice imaging): 절편 A를 다시 측정하려고 TR이 지나기를 기다리는 동안, 우리는 다른 절편(B-D)의 신호를 측정할 수 있다. 따라서 TR이 한 번 지나는 동안, 절편의 신호를 여러 번 측정할 수 있다. 비록 다른 절편들이긴 하지만 말이다. 그림 56. 다중절편 촬영(multislice imaging): 절편 A를 다시 측정하려고 TR이 지나기를 기다리는 동안, 우리는 다른 절편(B-D)의 신호를 측정할 수 있다. 따라서 TR이 한 번 지나는 동안, 절편의 신호를 여러 번 측정할 수 있다. 비록 다른 절편들이긴 하지만 말이다.

TR은 왜 획득 시간에 영향을 끼칠까?

여러분이 만약 긴 시간의 TR을 선택하여 펄스 시퀀스를 반복하고 추가적인 신호 측정을 하면 촬영은 짧은 TR을 사용할 때보다 더 오래 걸린다. 그러나 촬영 시간을 단축시킬 묘안이 있다.

한 절편(slice)에서 이미징 시퀀스가 다시 시작될 때까지 기다리는 동안 즉, TR이 지나가길 기다리는 동안(그림 56, 절편 A), 한 장 이상의 다른 절편들을 측정하는 것이다(그림 56에서 절편 B~D). TR이 길수록, 우리는 막간을 이용해 더 많은 절편을 흥분시킬 수 있다. 추가된 시간 동안 하나가 아닌 여러 장의 절편을 검사함으로써, 절편 당 촬영 시간은 현저하게 줄어든다. 이런 촬영 방법이 다중절편 이미징(multislice imaging)이다.

TR 즉, 촬영 시간을 줄이는 또 다른 방법은 조영제(constrast medium)를 쓰는 것이다. 이미 읽었듯이, 가돌리늄은 T1을 단축시킨다. T1이 짧아지면 관심 조직의 신호 강도를 잃지 않아도 TR을 줄일 수 있다(그림 49를 보라).


지금까지 MR 신호 강도에 영향을 준 요인들은…

이 요인들에 관해 확신이 들지 않으면 해당 페이지로 돌아가서 한 번 더 지문을 읽어야 한다. 익숙하게 느껴지면 계속해서 읽기 바란다. 지금까지 얘기하지 않았지만 MR 촬영에서 중요한 사항들을 설명할 것이다.


검사하려는 절편을 어떻게 선택할까?

그림 57. MR 자석의 자장에 경사장을 겹쳐놓으면 신체의 교차단면들이 각기 다른 자장 강도에 놓인다. 그 결과, 이 그림에서 발바닥부터 머리끝까지 자장 강도는 1.4 테슬라에서 1.6 테슬라로 증가한다. 자장 강도는 세차 주파수에 직결되므로(라머 공식), 세차 주파수는 발바닥에서 머리끝까지 60 mHz에서 68 mHz로 증가한다. 우리는 특정한 RF 펄스 주파수를 선택함으로써 검사 절편의 위치를 결정할 수 있다. 그림 57. MR 자석의 자장에 경사장을 겹쳐놓으면 신체의 교차단면들이 각기 다른 자장 강도에 놓인다. 그 결과, 이 그림에서 발바닥부터 머리끝까지 자장 강도는 1.4 테슬라에서 1.6 테슬라로 증가한다. 자장 강도는 세차 주파수에 직결되므로(라머 공식), 세차 주파수는 발바닥에서 머리끝까지 60 mHz에서 68 mHz로 증가한다. 우리는 특정한 RF 펄스 주파수를 선택함으로써 검사 절편의 위치를 결정할 수 있다.

환자를 MR 스캐너에 넣으면, 환자의 신체는 다소 균질한 자장에 놓인다. 따라서 신체안에 있는 모든 양성자는 똑같은 라머 주파수를 가지게 되고, 똑같은 RF 펄스에 의해 흥분/교란될 것이다. 특정한 절편만 검사하려면, 위치마다 강도가 다른 두 번째 자장을 외부 자장에 포개놓는다. 그러면, 어떤 장소의 자장은 강하고 다른 장소의 자장은 약해진다(그림 57).

이 추가되는 자장은 경사장(gradient field)이라 하는데, 소위 경사 코일(gradient coils)에 의해 생성된다. 경사장은 원래 자장의 강도를 변화시킨다. 그림 57에서 자장 강도는 발에서 머리로 교차단면이 올라갈수록 증가한다. 그 결과, 양성자들은 절편에 따라 다른 자장에 노출되고 다른 세차 주파수를 갖게 된다. 따라서 RF 펄스가 특정 절편의 양성자를 교란하려면 그 절편에 해당하는 주파수를 가져야 한다.

경사장을 어떤 방향으로든 포개놓을 수 있으므로, 환자를 옮기지 않아도 횡단 절편뿐이 아닌 온갖 촬영 평면을 정할 수 있다. 우리가 특정한 절편을 검사할 수 있도록 돕는 경사장을 절편 선택 경사(slice selecting gradient)라고 부른다.


절편 두께를 어떻게 결정할까?

그림 58. 절편 두께를 결정하는 두 가지 방법이 있다. 첫 번째는 하나의 특정 주파수가 아닌 특정 범위의 주파수 즉, 대역폭(bandwidth)을 가진 RF 펄스를 쓰는 것이다. 예를 들어, 64에서 65 mHz 사이의 주파수를 가진 RF 펄스를 주입하면 'slice 1'에 속하는 양성자들이 RF 펄스의 영향을 받을 것이다. RF 펄스가 65 mHz와 64.5 mHz 사이의 주파수를 가지면 즉, 대역폭이 더 작으면 'slice 1'의 절반 두께인 'slice 2'를 촬영하게 된다. <br>RF 펄스의 대역폭이 같더라도 발에서 머리 사이의 자장 강도 차이가 클수록 즉, 자기 경사가 급할수록 절편은 얇야진다. 그림에서 발과 머리 사이의 자장 강도가 (a)보다 (c)에서 더 크게 변한다. 그에 상응하는 공명 주파수는 (c)에서 56 ~ 72 mHz, (a)에서 60 ~ 68 mHz이다. RF 펄스가 똑같이 64 ~ 65 mHz 주파수를 가지더라도 (a)보다 (c)에서 더 얇은 'slice 3'을 촬영하게 된다. 그림 58. 절편 두께를 결정하는 두 가지 방법이 있다. 첫 번째는 하나의 특정 주파수가 아닌 특정 범위의 주파수 즉, 대역폭(bandwidth)을 가진 RF 펄스를 쓰는 것이다. 예를 들어, 64에서 65 mHz 사이의 주파수를 가진 RF 펄스를 주입하면 ’slice 1’에 속하는 양성자들이 RF 펄스의 영향을 받을 것이다. RF 펄스가 65 mHz와 64.5 mHz 사이의 주파수를 가지면 즉, 대역폭이 더 작으면 ’slice 1’의 절반 두께인 ’slice 2’를 촬영하게 된다.
RF 펄스의 대역폭이 같더라도 발에서 머리 사이의 자장 강도 차이가 클수록 즉, 자기 경사가 급할수록 절편은 얇야진다. 그림에서 발과 머리 사이의 자장 강도가 (a)보다 (c)에서 더 크게 변한다. 그에 상응하는 공명 주파수는 (c)에서 56 ~ 72 mHz, (a)에서 60 ~ 68 mHz이다. RF 펄스가 똑같이 64 ~ 65 mHz 주파수를 가지더라도 (a)보다 (c)에서 더 얇은 ’slice 3’을 촬영하게 된다.

절편 두께(slice thickness)를 두 가지 방법으로 선택할 수 있다(그림 58).


어디에서 신호가 올까?

이제 우리는 절편의 위치와 두께를 선택했다. 그러나 특정한 신호가 절편의 어느 지점에서 오는지 어떻게 알 수 있을까? 영상을 구성하려면 우리는 이 정보가 반드시 필요하다.

비법은 RF 펄스를 적용할 때만 켜지는 절편 선택 경사(slice selecting gradient) 같은 것이다.

RF 펄스가 주입된 후, 우리는 또다른 경사장을 가한다. 그림 59에 설명이 되어 있다. 선택된 절편의 양성자들이 모두 동일한 주파수를 가진 상황이 나온다. 여기에 또다른 경사장을 가한다. 이 사례에서는 자장이 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 줄어든다. 따라서 양성자들의 세차 주파수도 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 줄어든다(사례에서 세차 주파수는 각각 65, 64, 63 mHz이다).

그 결과, 각 열의 양성자들이 다른 주파수로 신호를 발산한다. 이렇게 적용된 경사를 주파수 인코딩 경사(frequency encoding gradient)라고 한다.

그림 59. 한 절편의 어디에서 신호가 나오는지 알기 위해 자기 경사장을 사용한다. (a)에는 한 절편의 양성자 9개가 있다. 이들은 RF 펄스가 주입되면 같은 주파수로 동조되어 세차한다.
그때 자기 경사장이 외부 자장에 겹쳐진다. (b)에서는 자장 강도가 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 작다. 세 개 열의 양성자들은 서로 다른 자장에 놓이고, 다른 주파수(예: 65, 64, 63 mHz)로 신호를 발산한다. 이에 상응하는 자기 경사를 주파수 인코딩 경사(frequency encoding gradient)라고 부른다. 우리는 이제 신호가 어느 열에서 나오는지 알지만, 아직 신호의 정확한 출처는 모른다.

그림 59. 한 절편의 어디에서 신호가 나오는지 알기 위해 자기 경사장을 사용한다. (a)에는 한 절편의 양성자 9개가 있다. 이들은 RF 펄스가 주입되면 같은 주파수로 동조되어 세차한다. <br>그때 자기 경사장이 외부 자장에 겹쳐진다. (b)에서는 자장 강도가 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 작다. 세 개 열의 양성자들은 서로 다른 자장에 놓이고, 다른 주파수(예: 65, 64, 63 mHz)로 신호를 발산한다. 이에 상응하는 자기 경사를 주파수 인코딩 경사(frequency encoding gradient)라고 부른다. 우리는 이제 신호가 어느 열에서 나오는지 알지만, 아직 신호의 정확한 출처는 모른다.

그러나 같은 열의 모든 양성자들은 여전히 같은 주파수의 신호를 가진다. 공간 정보가 충분하지 않으므로 우리는 다른 조치를 취해야 한다. 이론적으로는 경사를 활용하는 비법을 다시 쓸 수 있다. 그러나 현실적인 어려움들이 있다(예를 들면, 서로 다른 두 지점이 같은 주파수를 가질 수 있다). 이번에는 다른 방법으로 문제를 해결한다.

그림 60. 한 열의 양성자들이 모두 같은 주파수를 가질 때, 신호가 이들 중 어디에서 나오는지 알아내기 위해 경사를 추가한다. 그림 59에서 세차 주파수가 65 mHz인 열이 (a)에 나온다. 이제 우리는 잠깐 동안 경사장을 켠다. (b)에 보이는 이 경사장은 위가 아래보다 세다. 따라서 위에 있는 양성자는 중간에 있는 양성자보다 더 빨리 세차하고, 중간의 양성자는 바닥에 있는 양성자보다 더 빨리 세차한다. 이러한 세차 주파수 차이는 아주 잠깐 동안만 유지된다. 경사가 꺼지면, 모든 양성자들은 다시 동일한 자장에 놓이므로 65 mHz의 세차 주파수를 다시 가지게 된다(c). 그러나 이제 양성자들간에 약간의 차이가 생긴다. 다시 동일한 주파수로 세차하지만, 양성자들은 약간 탈동조된다. 그 결과, 이들의 신호는 주파수가 같지만 위상이 달라서 서로 차별화된다. 이러한 경사를 위상 인코딩 경사(phase encoding gradient)라 한다.

그림 60. 한 열의 양성자들이 모두 같은 주파수를 가질 때, 신호가 이들 중 어디에서 나오는지 알아내기 위해 경사를 추가한다. 그림 59에서 세차 주파수가 65 mHz인 열이 (a)에 나온다. 이제 우리는 잠깐 동안 경사장을 켠다. (b)에 보이는 이 경사장은 위가 아래보다 세다. 따라서 위에 있는 양성자는 중간에 있는 양성자보다 더 빨리 세차하고, 중간의 양성자는 바닥에 있는 양성자보다 더 빨리 세차한다. 이러한 세차 주파수 차이는 아주 잠깐 동안만 유지된다. 경사가 꺼지면, 모든 양성자들은 다시 동일한 자장에 놓이므로 65 mHz의 세차 주파수를 다시 가지게 된다(c). 그러나 이제 양성자들간에 약간의 차이가 생긴다. 다시 동일한 주파수로 세차하지만, 양성자들은 약간 탈동조된다. 그 결과, 이들의 신호는 주파수가 같지만 위상이 달라서 서로 차별화된다. 이러한 경사를 위상 인코딩 경사(phase encoding gradient)라 한다.

그림 60을 보자. 그림 59에서 65 mHz인 열의 양성자들을 가져왔다. 양성자들은 RF 펄스의 “채찍을 맞고” 동조되어 있다. 이제 잠깐 동안 이 열을 따라 자기 경사를 가한다. 그 결과로 양성자들은 각자 노출된 자장의 강도에 따라서 세차 속도를 높인다. 이 예(그림 60b)에서 속도는 열 위에서 아래로 갈수록 작게 증가한다. 금새 경사가 꺼지면, 이 열의 모든 양성자들은 다시 동일한 자장에 놓이고, 같은 세차 주파수를 가진다. 그러나 중요한 차이가 있다. 이전까지 양성자들(그리고 각자의 신호)은 동조된 상태였다. 이제 양성자들과 신호는 같은 주파수를 갖지만 탈동조된다(마치 자기 벡터들이 각기 다른 시점에 안테나를 지나친다고 볼 수 있다).

우리가 사용한 경사는 양성자들을 다른 위상으로 세차하게 만들기 때문에 위상 인코딩 경사(phase encoding gradient)라고 불린다.

이 모든 경사들을 적용하면 마침내 여러 신호의 혼합물을 얻게 된다. 위치에 따라서 신호들은 다양한 주파수를 가지고 있고, 주파수가 같은 신호들은 다른 위상을 가진다. 푸리에 변환(Fourier transformation)이라고 하는 수학적 처리를 통해 컴퓨터는 특정 주파수와 위상을 가진 신호가 얼마나 많은지 분석할 수 있다. 이 신호들을 절편의 특정 위치에 할당할 수 있으므로, 우리는 이제 영상을 재구성(reconstruct) 할 수 있다.


복습하자


몇 가지 추가할 기본 사항들

지금까지 우리는 MR에 관한 기본적인 사항들을 논의했다. 그런데 왜 항상 양성자에 관해서만 얘기했을까? 핵에 관해서는 배울 것이 없을까? 이미 알고 있듯이, 원자는 양성자와 중성자로 구성된 핵을 가진다. 수소 핵은 예외적으로 양성자 한 개만 가지고 있다. 그래서 우리가 양성자에 관해 말할 때는 수소 핵에 관해 말하는 것이다. 그 둘은 같기 때문이다(따라서 양성자와 수소핵은 종종 호환된다). 수소는 몸 안에 풍부하기 때문에 MR 영상에서 수소 핵이 가장 많이 쓰인다. 수소는 핵 중에서 가장 좋은 신호를 제공한다. 동일한 자장에서 핵의 수도 동일할 때, 수소가 발산하는 신호가 가장 강하다. 요즘 일상적인 MR 촬영은 모두 양성자(수소) 영상이다. 그러나 다른 핵을 사용하는 것에 관한 연구도 많이 진행되고 있다.


다른 모든 핵도 이미징에 활용될 수 있을까?

대답은 ’아니오’다. 핵이

인 경우만 쓸 수 있다(중성자 개수도 중요하지만, 이에 관한 설명은 물리학을 너무 깊이 다뤄야 하므로, 여기에서는 양성자에 관해서만 얘기하기로 한다).

그 이유를 쉽게 설명할 수 있다. 시작할 때 읽었듯이(6쪽), 양성자는 돌고 있으므로 양성자의 전하(electrical charge)도 돌면서 움직인다. 움직이는 전하는 전류로서 양성자의 자장을 일으키고, 이후 발생하는 모든 현상의 기초가 된다. 스핀이 없으면 자장도 없다.

두 번째 요구사항인 ’홀수’는 어떻게 설명할까? 양성자를 작은 막대 자석이라고 생각해보자. 양성자가 두 개(또는 다른 아무 짝수 개)면, 다른 자석들처럼 이 작은 막대 자석들도 서로 달라붙을 것이다(반대 극은 서로 끌어당긴다). 결과적으로 그들의 자기 모멘트는 상쇄된다. 양성자 수가 홀수(예: 3개)인 핵에서 양성자 쌍은 여전히 서로 달라붙어 중성화한다. 그러나 거기에는 항상 양성자 한 개가 남아서 자기 모멘트를 가질 것이다. 따라서 홀수 양성자를 가진 핵들은 자기 모멘트를 가지고, 원칙적으로 MRI에 사용될 수 있다. 사례로는 탄소(C)-13, 불소(F)-19, 나트륨(Na)-23, 인(P)-31이 있다.


몇 가지 하드웨어를 살펴보자

주 자석(main magnet)은 MR 기계에서 가장 중요한 부위이며, MR 촬영을 하려면 무척 강력해야 한다. 자석의 세기는 테슬라 혹은 가우스 단위로 표시하는데, 1 Tesla = 10,000 Gauss이다.

가우스는 독일 수학자로서 지구의 자장(geomagnetic field)을 처음으로 측정하였다.

테슬라는 교류(alternating current)의 아버지로 알려져 있다. 그는 독특한 인물인데, 1900년대 초기에 발명가 토마스 에디슨과 공동 수상하는 노벨상을 거절한 적이 있다.

이미징에 쓰이는 자석은 주로 0.5에서 1.5 Tesla 사이의 자장 강도를 가진다(비교하자면, 지구의 자장은 0.3에서 0.7 G에 해당하고, 냉장고 문에 흔히 붙이는 장식물은 대략 100 G = 0.01 T이다). 자장은 세차 주파수를 직결되므로 매우 균질해야 한다. 균질성은 ppm(part per million) 단위로 기술된다(최소와 최대 자장 강도의 차이를 평균 강도로 나눈 후 백만을 곱하여 계산한다).

무척 작은 비균질성 그리고 그로 인한 세차 빈도수의 차이가 얼마나 나쁜 영향을 끼칠 수 있는지에 관해 이미 29쪽에서 예를 든 적이 있다. 약간의 전기적 혹은 기계적 조정을 통해 자장의 균질성을 향상시킬 수 있는데, 이 과정을 시밍(shimming)이라 한다.

MRI에서는 여러 유형의 자석이 사용된다.

영구 자석:

모두들 영구 자석(permanent magenets)은 잘 알 것이다. 어린 애들의 넋을 빼앗는, 그런 자석말이다. 이 자석은 항상 자기를 띄고 있어서 에너지를 추가할 필요가 없다는 장점을 가진다. 단점은 온도에 따라 불안정하고 자장 강도가 제약되며 무겁다는 것이다(0.3 T의 자석은 약 100톤이 나간다).

저항 자석:

저항 자석(resistive magnets)은 전류가 전선 고리를 지나면서 자장을 가지게 된다. 이 자석을 전자석(electromagnets)이라고도 부르는데, 전류가 흐를 때에만 자기를 가지므로 전기 에너지가 필요하다. 저항 때문에 전선에 열이 발생하므로, 자석이 작동할 때 열을 식혀야 한다.

이 자석은 영구 자석에 비해 높은 자장을 가질 수 있다. 그러나 매우 높은 자장이 필요할 때 저항 자석은 실용적이지 않다. 다량의 열을 빼내야 하기 때문이다.

상대적으로 신형인 철심(iron core) 하이브리드 저항 자석은 영구 자석과 “보통의” 저항 자석이 가진 장점을 모두 가진다.

초전도 자석:

초전도 자석(superconducting magnets)은 현재 MR 기계에서 가장 널리 사용되고 있다. 이 자석은 전기를 사용하지만 특별한 전도체를 가진다. 이 전도체는 초전도 온도(약 4°K 혹은 -269°C)까지 냉각된다. 이 온도에서 전도체는 전기에 대한 저항을 잃는다. 따라서 주입된 전류는 전도체에서 영원히 흐르고 일정한 자장을 생성한다. 이 자석을 냉각시키기 위해 극저온유체(cryogens; 예: 헬륨, 질소)를 사용하는데, 이를 가끔씩 재충전해야 한다.

어떤 이유로 인해 온도가 초전도 온도를 넘으면 자석은 초전도성을 잃고(소위, quench) 전기 흐름에는 갑자기 저항이 생긴다. 그 결과, 열이 빠르게 발생하여 극저온유체를 끓게 만든다(기화된 물질은 소위, quench lines를 통해 시스템 밖으로 빠져나간다).

초전도 자석의 장점은 자장 강도가 높고 균질성이 뛰어나다는 것이다(45cm 직경 영역에서 10-50ppm 수준이다). 단점은 비용이 많이 든다는 것이다. 극저온유체도 꽤 비싸다.

자장 강도에 관해 얘기하는 이유는 뭘까? 어떤 자장 강도가 이상적일까? 이 질문은 자동차의 마력이 얼마나 되어야 이상적인지에 관한 질문만큼이나 대답하기 쉽다.2 역주: 어렵다는 뜻입니다. 여기에는 찬반이 있다.


또 다른 하드웨어: 코일

MRI에서 무선 주파수 코일(radio frequency coils)은 양성자를 흥분시키기 위해 RF 펄스를 주입하고 신호를 수신하는 데 필요하다. RF 펄스를 보내고 신호를 받기 위해 같은 코일을 쓸 수도 있고 다른 코일을 쓸 수도 있다. 다양한 코일이 사용되고 있다.

볼륨 코일

볼륨 코일(volume coils)은 모든 MR 단위(unit)에서 사용된다. 이 코일은 촬영하는 신체 부위를 완전히 에워싸고, 피사체의 크기에 가까워야 한다. 신체 코일(body coil)은 스캐너의 영구 부품으로서 모든 유형의 검사에서 송신기로 사용된다. 큰 신체 부위를 촬영할 때는 신호를 수신하기도 한다. 헬멧 처럼 생긴 머리 코일(head coil)은 수신 코일로 활용된다.

심 코일

이미 자석을 설명할 때 언급한 바와 같이, 전기적이고 기계적인 조정을 통해 자장의 균질성을 확보할 수 있다. 시밍(shimming)이라고 부르는 이 과정을 위해 심 코일(shim coils)을 사용한다.

경사 코일

경사 코일(gradient coils)은 추가적인 선형 전자장을 생성하여 자장을 체계적으로 변화시킴으로써 절편 선택과 공간 정보를 가능하게 한다(86쪽에서 93쪽까지 볼 것). 공간은 삼차원으로 구성되므로, 세 개의 경사 코일이 있다. 이 코일들은 고정 장치를 때리기 때문에 여러분이 MR 검사 중 듣게되는 잡음을 유발한다.

표면 코일

표면 코일(surface coils)은 관심 영역에 직접 대고 쓰므로, 검사 부위에 상응하는 다양한 형태를 가진다. 이 코일은 수신 코일이며, 수신하는 신호의 대부분은 인접한 조직에서 나온다. 깊은 구조물은 이 코일로 검사할 수 없다. 머리 코일에서와 같이, 이 경우에도 RF 펄스는 신체 코일에서 송신된다.


MR 설비를 위해 특별한 시설이 필요한 이유는?

MRI 시스템의 대형 고정 자장은 촬영장비 바깥으로도 미치므로 시스템의 위치를 제약한다. 자장은 금속 물체를 당기고, 컴퓨터와 모니터, 인공심박장치와 X-선 장치같은 기계 및 전자 도구에 영향을 끼친다. 다른 한편으로는 외부의 영향도 있다. 모든 공기에는 전파가 가득 차 있다. 여러분이 라디오로 수신하는 모든 방송을 생각해보라. 외부의 전파와 MR 단위의 전파가 서로를 간섭하지 않으려면, 전체 시스템이 패러데이 상자로 차폐되어야 한다(shielded by a Faraday cage). 외부 RF 생성기와 별도로, 특별히 움직이는(엘리베이터, 자동차) 큰 금속 물체는 자장에 영향을 끼칠 수 있으므로 주의가 필요하다.


끝으로 분광학에 관해

MR 분광학(MR spectroscopy)은 MR이 이미징에 사용되기 훨씬 전부터 오랫동안 사용되었다. 이 절차는 분석 도구로 사용된다. 표본을 파괴하지 않고도 특정 요소의 다양한 화학적 상태를 알아낼 수 있기 때문이다. 미래에는 분과학과 이미징이 결합될 것으로 기대된다.3 역주: 이 책이 1990년에 출간되었음을 다시 한번 상기하기 바랍니다. 이를 통해 우리는 생체 내 특정 위치에서 일어나는 화학작용과 대사에 관한 정보를 얻게 될 것이다. 이러한 측정은 해를 끼치지 않고 반복될 수 있으므로 세포 생리학적 추적 연구를 가능케 할 것이다. 예를 들어, 많은 질병과 치료 요법의 효과를 평가하는 데 유용할 것이다.

분광학에는 높은 자기 강도를 가진 자석이 필요하므로 초전도 자석을 갖춘 MR 단위를 사용해야 할 것이다. 다른 자석들은 분광학에 사용될 수 없다. 현재 많은 사람들은 MR 이미징을 활용한 분광학이 구조 영상보다 훨씬 더 중요한 잠재력을 가진다고 믿고 있다.


마지막 복습

여러분이 마침내 여기까지 왔으니 MRI에 관해 조금은 (조금 더?) 알게되었기를 바란다. 마지막 복습이 필요한가?

좋다. 그러나 이번엔 조금 다른 방법을 시도해보자. 다음 장에 나오는 목록을 보자.4 용어와 참고문헌 목록은 생략합니다. PDF 파일과 앱을 참고하십시오. 거기에 나오는 용어들을 여러분이 이해하고 있는지 확인하기 바란다. 이해가 안된다면, 목록에 나오는 페이지에 가서 짧게 복습해보자.

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